DE102012219605A1

DE102012219605A1 - Mikromechanisches Bauelement

Info

Publication number: DE102012219605A1
Application number: DE102012219605.6A
Authority: DE
Inventors: Julian Gonska; Jochen Reinmuth; Kathrin Gutsche; Jens Frey; Heribert Weber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2032-10-27
Also published as: CN103787260B; US20140117472A1; TW201429863A; TWI606005B; US9567212B2; CN103787260A; DE102012219605B4

Abstract

Mikromechanisches Bauelement (100) mit einem ersten Raum (1), in dem ein erster Sensor (2) angeordnet ist, mit einem zweiten Raum (3), in dem ein zweiter Sensor (4) angeordnet ist, wobei im ersten und im zweiten Raum unterschiedliche Drücke herrschen, dadurch gekennzeichnet, dass sich einer der beiden Räume (1,3) über einen dritten Raum (5) zu einer ersten Gitterstruktur (6) erstreckt, die in einem Randbereich des Bauelements (100) angeordnet und im Wesentlichen hermetisch dicht verschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass im Zuge einer Erhöhung von Funktionsvielfalt mikromechanischer Beschleunigungs- und Drehratensensoren (Inertialsensoren) diese auf einem einzigen Wafer hergestellt werden. Bei im Falle eines gleichen Innendrucks von Kavernen, in denen die Sensoren angeordnet sind, muss mit deutlichen Verschlechterungen von Sensoreigenschaften, z.B. hinsichtlich einer Sensorempfindlichkeit oder einer mechanischen Robustheit der Sensoren gerechnet werden. Deshalb ist es in der Regel vorgesehen, dass in den Kavernen der Beschleunigungs- und Drehratensensoren unterschiedliche Drücke bereitgestellt werden.
Bekannt sind in diesem Zusammenhang Verfahren, bei denen man in eine der Kavernen einen so genannten Getter einbringt, der nach einem Verkappungsprozess aktiviert wird und der Restgas in der hermetisch abgeschlossenen Kaverne binden (engl. gettern) kann. Auf diese Weise ist es möglich, Kavernen in einem Herstellungsprozess mit unterschiedlichen Innendrücken herzustellen. Das genannte Verfahren ist jedoch prozesstechnisch anspruchsvoll und sehr kostenintensiv.
DE 10 2009 045 385 A1 offenbart ein Verfahren zum Verschließen wenigstens eines Grabens eines mikromechanischen oder elektrischen Bauelements mit den Schritten: Aufbringen eines Gitters auf das Bauelement über dem zu bildenden Graben, Ausbilden des Grabens unterhalb des Gitters, und Verschließen der Öffnungen des Gitters über dem Graben durch Abscheiden einer Schicht auf das Gitter.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfacher herzustellendes mikromechanisches Bauelement für Sensoren bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem mikromechanischen Bauelement mit einem ersten Raum, in dem ein erster Sensor angeordnet ist, mit einem zweiten Raum, in dem ein zweiter Sensor angeordnet ist, wobei im ersten und im zweiten Raum unterschiedliche Drücke herrschen. Das mikromechanische Bauelement zeichnet sich dadurch aus, dass sich einer der beiden Räume über einen dritten Raum zu einer Gitterstruktur erstreckt, die in einem Randbereich des Bauelements angeordnet und im Wesentlichen hermetisch dicht verschlossen ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements, aufweisend die Schritte:

– Bereitstellen von zwei Räumen in einer Waferschichtaufbau,
– Ausbilden eines dritten Raums mit einem Verbindungsbereich zu einem der beiden Räume, wobei der dritte Raum an eine Gitterstruktur in einem Randbereich des Bauelements geführt ist, und
– Verschließen der Gitterstruktur mit einer Verschlussschicht, wobei abhängig von einem Abscheideprozess der Verschlussschicht der Druck in einem der Räume eingestellt wird.

Auf diese Weise wird mit der Erfindung ein mikromechanisches Bauelement bereitgestellt, welches in zwei Kavernen jeweils unterschiedliche Innendrücke und damit sehr gute Betriebsbedingungen für Inertialsensoren, die jeweils in einer Kaverne angeordnet sind, aufweist. Mittels der Gitterstruktur ist es möglich, mit Ätzprozessen einen Belüftungskanal zu einem der beiden Räume auszubilden, sodass über den Belüftungskanal ein zur anderen der beiden Kavernen unterschiedlicher Druck bereitgestellt werden kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur vollständig und das Bauelement an einer Oberseite wenigstens teilweise mit einer Verschlussschicht verschlossen ist. Dies bewirkt vorteilhaft ein Vermeiden eines Eindringens von Luft, Feuchtigkeit, Staub, Partikeln, etc. in die Kaverne mit der Sensorstruktur. Eine störungsfreie Benutzung des Sensors ist damit vorteilhaft unterstützt.
Eine bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass die Verschlussschicht mittels unterschiedlicher Abscheideprozesse abgeschieden werden kann. Auf diese Weise kann vorteilhaft durch eine Selektion des Abscheideprozesses für die Verschlussschicht ein erforderlicher Innendruck in der Kaverne und dadurch für die Sensoren jeweils optimalen Betriebsdrücke eingestellt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass ein Verbindungsbereich zwischen einem der beiden Räume und dem dritten Raum verengt ist. Dadurch kann vorteilhaft ein Eindringen von externen Partikeln in funktionale Sensorstrukturen weitestgehend unterbunden werden, so dass dadurch ein störungsfreier Betrieb der Sensoren unterstützt ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass die Verengung mittels Bondmaterialien eines Sensorwafers und eines Kappenwafers des Bauelements ausgebildet ist. Dadurch werden zur Ausbildung der Verengung in den Kaverneninnenraum vorteilhaft bestehende Materialien im Herstellungsprozess des Sensor- und des Kappenwafers benutzt.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass der Verbindungsbereich als eine im Wesentlichen laterale Gitterstruktur oder als eine Kanalstruktur ausgebildet ist. Dadurch werden vorteilhaft verschiedene Möglichkeiten zur Ausbildung des Verbindungsbereichs in eine der Kavernen bereitgestellt.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass auf einer Oberseite der Verschlussschicht wenigstens teilweise eine Passivierungsschicht angeordnet ist. Diese erhöht vorteilhaft die mechanische Stabilität der Verschlussschicht im Bereich freitragender Membranstrukturen und bietet weiter Schutz vor eindringender Feuchtigkeit in das darunter liegende Schichtsystem, bestehend aus z.B. Siliziumoxidschichten. Dadurch können die Betriebseigenschaften des Sensors langfristig weitgehend sichergestellt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass eine elektrisch leitende Verbindung zu wenigstens einem der Sensoren ausgebildet ist, wobei die elektrisch leitende Verbindung wenigstens teilweise von einem Isolationsgraben begrenzt ist, der mittels der Gitterstruktur herstellbar ist, wobei der Isolationsgraben im Wesentlichen den dritten Raum ausbildet. Auf diese Weise können in einem Herstellungsprozess des mikromechanischen Bauelements mittels der Gitterstruktur vorteilhaft sowohl elektrische Durchkontaktierungen in Form von TSV´s (engl. through silicon via) als auch Be- und Entlüftungsstrukturen zu Sensorbereichen hergestellt werden. Vorteilhaft kann dadurch der Isolationsgraben- bzw. trenchbereich als Be- bzw. Entlüftung des Kavernenbereichs von einem der Sensoren genutzt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements ist dadurch gekennzeichnet, dass über der elektrisch isolierend ausgeführten Gitterstruktur Metall angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Feuchtigkeitsschutz vorteilhaft noch weiter verbessert werden und der eingeschlossene Druck im Inneren einer der Kavernen vorteilhaft stabil gehalten werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass der dritte Raum im Wesentlichen im Kappenwafer oder im Wesentlichen im Sensorwafer des mikromechanischen Bauelements ausgebildet ist. Dies bietet vorteilhaft die Möglichkeit, den Be- bzw. Entlüftungszugang entweder von Seiten des Kappenwafers oder von Seiten des Sensorwafers auszubilden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein Verbindungsbereich zwischen dem dritten Raum und einem der beiden Räume verengt ausgebildet wird. Damit kann vorteilhaft über eine Auslegung der Verengung ein Eindringen von störenden Partikeln in funktionale Sensorstrukturen weitgehend unterbunden werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Verbindungsbereich als eine im Wesentlichen laterale Gitterstruktur oder als eine Kanalstruktur ausgebildet wird. Dadurch stehen vorteilhaft mehrere alternative Möglichkeiten zur Belüftung bzw. zum Partikelschutz für eine der Sensorkavernen zur Verfügung.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass ein Ausbilden und ein Verschließen des dritten Raums als ein Ausbilden und ein Verschließen eines Isolationsgrabens einer elektrischen Durchkontaktierung ausgebildet ist. Dadurch kann vorteilhaft ein separates Ausbilden der Be- bzw. Entlüftung der Kavernenstruktur entfallen, weil für diese Zwecke der Isolationstrenchbereich der elektrischen Durchkontaktierung genutzt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. In den Figuren haben gleiche oder funktionsgleiche Elemente gleiche Bezugsziffern.
In den Figuren zeigt:
1 ein mikromechanische Bauelemente gemäß Stand der Technik;
2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements nach einem Bondprozess;
3 die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements nach einem abschließenden Beschichten;
4 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
5 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
6 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
6a eine Detailansicht der vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
6b eine weitere Detailansicht der vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
7 eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
7a eine Detailansicht der fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
8 eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
9 eine siebente Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements vor dem Bonden;
10 die siebente Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements nach dem Bonden;
11 die siebente Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements nach einem Ausbilden des Be- bzw. Entlüftungskanals;
12 die siebente Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements nach Fertigstellung;
13 eine achte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
14 die achte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements nach Fertigstellung;
15 eine neunte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
16 die neunte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements nach Fertigstellung;
17 eine zehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
17a eine Detailansicht der zehnten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
18 die zehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements nach Fertigstellung;
18a eine Detailansicht der zehnten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
19 eine elfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
20 die elfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements nach Fertigstellung;
20a eine Detailansicht der elften Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
21 eine zwölfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
22 die zwölfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements nach Fertigstellung;
23 eine dreizehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
24 die dreizehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements nach Fertigstellung; und
25 eine vierzehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt eine prinzipielle Querschnittsansicht durch ein mikromechanisches Bauelement gemäß Stand der Technik. Das mikromechanische Bauelement 100 weist einen an sich bekannten Waferstackaufbau mit einem Kappenwafer 10 aus hochdotiertem Silizium und einem Sensorwafer 20 aus Silizium, wie es standardmäßig in der Halbleitertechnik eingesetzt wird, auf. Der Kappenwafer 10 ist mittels einer Bondverbindung 11 in Form einer eutektischen Aluminium-Germanium-Verbindung mit einem Sensorwafer 20 verbunden. Oxidmaterial 12, beispielsweise in Form von Abstandshaltern aus SiO₂ zwischen den beiden Wafern 10, 20 dienen dazu, diese definiert voneinander beabstandet anzuordnen. Nach dem Bonden wird der Wafer 10 mittels an sich bekannter Verfahren abgedünnt und mit einem Maskenlayout, z.B. aus Siliziumdioxid versehen.
Innerhalb des mikromechanischen Bauelements 100 ist eine erste Kaverne bzw. ein erster Raum 1 angeordnet, in dem eine erste funktionale, bewegliche Sensorstruktur 2 angeordnet ist. Weiterhin ist eine zweite Kaverne bzw. ein zweiter Raum 3 vorgesehen, in dem eine zweite funktionale, bewegliche Sensorstruktur 4 angeordnet ist. Mittels elektrischer Leitungen 13 (z.B. aus dotiertem Poly-Silizium, das in Isolationslayern eingebettet ist) werden die funktionalen Sensorstrukturen 2, 4 elektrisch versorgt. Ein Trenchstop 9 (z.B. ein Stück Al) ist innerhalb des zweiten Raums 3 auf der Oberseite des Sensorwafers 20 vorgesehen, um einen später angewendeten Trenchprozess definiert abzustoppen.
2 zeigt eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements. Zur Bereitstellung eines unterschiedlichen Innendrucks im zweiten Raum 3 ist vorgesehen, mittels Standardlithographie und -ätzverfahren eine Gitterstruktur 6 in einem Maskenlayer (z.B. aus SiO₂) des Kappenwafers 10 zu erzeugen. Diese Gitterstruktur 6 dient dazu, mittels eines Silizium-Trenchprozesses einen Be- bzw. Entlüftungszugang in Form eines dritten Raums 5 bereitzustellen. Erkennbar ist ein Trenchstop 9 (z.B. eine Aluminiumstruktur), mittels dessen der Trenchvorgang zur Herstellung der Be- und Entlüftungslöcher auf dem Sensorwafer 20 stoppt. In einem mit A graphisch hervorgehobenen Bereich von 2 ist die Belüftungsstruktur erkennbar, die einen Verbindungsbereich 16 zum zweiten Raum 3 aufweist, über den ein zum ersten Raum 1 unterschiedlicher Innendruck innerhalb des zweiten Raums 3 bereitgestellt werden soll.
Ein in 2 graphisch mit B hervorgehobener Bereich benutzt eine weitere Gitterstruktur 6, um eine isolierte Durchkontaktierung 14 (TSV-Bereich oder TSV-Stempel, engl. through silicon via) zu erzeugen, der über elektrischen Leitungen 13 eine elektrische leitende Verbindung zu den Sensoren 2, 4 bereitstellt. Zu diesem Zweck wird mittels eines Isolationstrenchs ein Silizium-Stempel im Kappenwafer 10 erzeugt und gleichzeitig auf dem Sensorwafer 20 die epitaktisch aufgewachsene Siliziumschicht (EPI-Silizium), in der die Sensoren 2, 4 ausgebildet sind, strukturiert.
Die Gitterstruktur 6 ist als eine engmaschige Oxidgittermaske ausgebildet und derart ausgelegt, dass sie nach dem Isolationstrenchen auf einfache Weise, beispielsweise durch Abscheiden einer weiteren Siliziumoxidschicht, wieder verschlossen werden kann. Dies bietet den Vorteil, dass man nicht den ganzen Isolationstrench verschließen muss und behält zudem eine ebene Oberfläche des Kappenwafers 10, so dass in nachfolgenden Prozessschritten z.B. Standardlithographieverfahren anwendbar bleiben.
Man erkennt also, dass die Gitterstrukturen 6 nicht nur zur Bereitstellung der elektrisch leitenden Durchkontaktierungen 14 verwendet werden können, sondern auch zur Ausbildung von Be- und Entlüftungszugängen zu Kavernenstrukturen.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass die Gitterstrukturen 6 es ermöglichen, elektrisch leitende Durchkontaktierungen 14 als auch Be- und Entlüftungszugänge simultan herstellen zu können.
Auf diese Weise kann nunmehr der Druck im zweiten Raum 3 unabhängig von einem bei einem Bondprozess eingestellten Kaverneninnendruck eingestellt werden. Abhängig von der Wahl des Abscheideverfahrens für die Verschlussschicht kann ein Innendruck eingestellt werden, der von Vakuum (z.B. Verschließen durch Aufdampfen von Schichten) bis zu Atmosphärendruck (z.B. Verschluss durch APCVD-Prozesse, engl. atmospheric pressure chemical vapor deposition) reichen kann. Weiterhin kann, abhängig von der Wahl der verwendeten Prozessgase, Einfluss auf z.B. das Dämpfungs- und /oder das Stickingverhalten der Sensoren genommen werden.
3 zeigt die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements nach einem abschließenden Beschichtungsvorgangs mit einer Verschlussschicht 7, die durch Abscheidung eines Siliziumoxids gebildet wurde. Nach dem Verschließen mit der Verschlussschicht 7 erfolgt mit Standardprozessen die Herstellung eines externen elektrischen Anschlusses 15 zur Durchkontaktierung 14, z.B. mittels Aluminium-Leiterbahnen. Durch geeignete Wahl der Schichtdicke des Oxidmaterials 12 und der Al-Struktur des Trenchstops 9 ist es möglich, den Lüftungsquerschnitt (Abstand zwischen Aluminium und Kappenwafer 10) gezielt zu dimensionieren. Hierdurch kann vorteilhaft vermieden werden, dass Partikel mit einem Durchmesser größer als der Abstand zwischen dem Trenchstopp 9 und dem Kappenwafer 10 in den zweiten Raum 3 gelangen können.
4 zeigt eine prinzipielle Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 100. In dieser Variante erfolgt der Trenchstopp 9 im Bereich des dritten Raums 5 (Be- bzw. Entlüftungsquerschnitt) nicht auf einer Aluminiumstruktur, sondern auf einer Oxidschicht im Sensorwafer 20.
Eine Variante zur Ausgestaltung eines Verbindungsbereichs 16 zwischen dem zweiten Raum 3 und dem dritten Raum 5 zeigt 5 mit einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 100. Dabei ist vorgesehen, eine Querschnittsverengung des Verbindungsbereichs 16 über ein Verhältnis von Germaniumdicke zu einer Dicke des Oxidmaterials 12 für die Abstandshalter zwischen Kappenwafer 10 und Sensorwafer 20 einzustellen. In der Regel befindet sich das Germanium auf einer Vorderseite des Kappenwafers 10 und wird bei der Herstellung des dritten Raums 5 lokal mit durchätzt. Bei dieser Variante erfolgt der Ätzstopp wiederum auf einer Oxidschicht im Substratwafer 20.
6 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements. Zusammen mit den 6a und 6b sind zwei verschiedene Varianten zur Ausgestaltung des Verbindungsbereichs 16 zwischen dem zweiten Raum 3 und dem dritten Raum 5 erkennbar. In 6a ist zu sehen, dass der Verbindungsbereich 16 als eine im Wesentlichen laterale Gitterstruktur ausgebildet ist. Bei dieser Variante ist es vorteilhaft, über der Gitterstruktur auf der Vorderseite des Kappenwafers 10 eine Abstandshalterstruktur aus Oxidmaterial vorzusehen, die die Gitterstruktur oberflächlich abschließt. Auf diese Art und Weise wird ein Be- und Entlüftungszugang in den dritten Raum 3 durch die Gitterstruktur und partiell unter ihr hindurch gebildet. Ein Ätzprozess zur Erzeugung der Be- und Entlüftungsstruktur stoppt auch bei dieser Variante auf einer Oxidschicht im Substratwafer 20.
Gemäß 6b ist vorgesehen, dass der Zugangsbereich 16 in den zweiten Raum 3 als eine Kanalstruktur ausgebildet ist. Diese wird dadurch gebildet, dass durch eine Designauslegung auf dem Sensorwafer 20 ein Rahmenstück zwischen dem zweiten Raum 3 und dem dritten Raum 5 erzeugt wird, welches beim Opferoxidätzen unterätzt wird und auf diese Weise eine Verbindung zwischen dem zweiten Raum 3 und dem dritten Raum 5 herstellt.
Durch eine Designauslegung einzelner Ebenen im Sensorherstellungsprozess kann erreicht werden, dass eine Höhe der Kanalstruktur nur abhängig ist von der Höhe der letzten Oxidschicht auf der Poly-Silizium-Struktur im Sensorwafer 20. Die genannte Poly-Silizium-Struktur muss elektrisch nicht zwingend angeschlossen sein, sondern kann lediglich als eine Ätzschutzmaske für die darunter befindlichen Oxidschicht dienen. Beim Trenchen der Be- und Entlüftungslöcher wird diese Poly-Silizium-Struktur zumindest teilweise entfernt. Der Ätzprozess stoppt dann an der darunter befindlichen Oxidschicht.
Auch bei dieser Variante kann auf der Seite des Kappenwafers 10 über dem Zugangskanal eine Abstandshalterstruktur aus Oxidmaterial vorgesehen sein, die derart ausgelegt ist, dass nur durch die Kanalstruktur hindurch ein Zugang in den zweiten Raum 3 erfolgen kann. Bei dieser Variante erfolgt die Ausbildung des Verbindungsbereichs 16 also mittels einer Querschnittreduzierung durch eine lokale Unterätzung der EPI-Siliziumsschicht.
7 zeigt eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 100. In dieser Variante ist vorgesehen, dass in einem Abschlussverfahren auf das Schichtsystem zusätzlich wenigstens eine, vorzugsweise mehrere Passivierungsschichten 8 aufgebracht werden. Im Bereich der Bondpads werden die Passivierungsschichten 8 entfernt, um eine elektrische Kontaktierung, zum Beispiel per Drahtbond zu ermöglichen (nicht dargestellt).
Mittels der Passivierungsschicht 8 kann vorteilhaft ein Eindringen von Feuchtigkeit in das darunterliegende Schichtsystem, insbesondere in den dritten Raum 5 und den damit verbundenen zweiten Raum 3 verhindert werden. Auch in diesem Fall ist, wie aus 7a erkennbar, der Verbindungsbereich 16 zwischen dem zweiten Raum 3 und dem dritten Raum 5 als eine Querschnittreduzierung in Form einer lateralen Gitterstruktur in der EPI-Siliziumschicht ausgebildet. Man erkennt, dass der dritte Raum 5 ohne Verwendung eines Ätzstopps erzeugt wurde.
Als Materialien für die Passivierungsschicht 8 können beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Siliziumoxinitrid bzw. eine Kombination aus diesen Materialien verwendet werden. Ferner können die Passivierungsschichten 8 auch zu einer Passivierung bzw. zu einem Schutz von externen elektrischen Leiterbahnen verwendet werden.
8 zeigt eine sechste Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 100. In dieser Variante ist über der Verschlussschicht 7 eine Metallschicht 17 über dem dritten Raum 5 angeordnet. Auf diese Weise kann das Metall zur Herstellung des externen elektrischen Kontakts 15 auch dazu verwendet werden, ein Eindringen von Feuchtigkeit in die sensorinternen Kavernen zu vermieden. Dargestellt ist lediglich eine mögliche Ausführungsform, wobei die Metallschicht 17 auch über den verschlossenen Isolationstrenchstrukturen angeordnet sein kann (nicht dargestellt), um ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Isolationstrenchbereich und dadurch entstehende Leckströme zu vermeiden. Optional können auch bei dieser Variante zusätzlich eine oder mehrere Passivierungsschichten 8 vorgesehen sein, zwischen denen auch strukturierte Metalllayer, wie sie z.B. standardmäßig in der Halbleitertechnik verwendet werden, eingebettet sein können
Die bisher beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 100 weisen die Be- bzw. Entlüftungsstrukturen in Form des dritten Raums 5 allesamt auf Seiten des Kappenwafers 10 auf, wobei die elektrischen Durchkontaktierungen 14 nur außerhalb des Bondrahmenbereichs vorgesehen sind.
Denkbar ist es allerdings auch, die elektrische Durchkontaktierung 14 innerhalb des ersten Raums 1 oder innerhalb des zweiten Raums 3 vorzusehen. Dies bedingt aber einen größeren Flächenbedarf, was in der Regel zu einer Vergrößerung des Bondrahmens und somit des Kavernenbereichs führt. Eine laterale Aufweitung des Kavernenbereichs führt aber auch zu einer größeren, den Kavernenbereich überspannenenden, Siliziummembran, deren mechanische Stabilität, gegenüber z.B. einer Druckbelastung, wie sie beim Molden vorkommen kann, abnimmt. Durch eine Verdickung der Membran kann dem zwar gegengesteuert werden, führt aber zu längeren Prozesszeiten beim Isolationstrench der TSV- und der Be- bzw. Entlüftungsstrukturen und ist weiter hinderlich bei der Herstellung geometrisch möglichst kompakter Sensoren.
In den vorangegangenen Beispielen erfolgte die elektrische Kontaktierung der Sensorstrukturen über den externen elektrischen Anschluss 15, die elektrische Durchkontaktierung 14, die eutektische AlGe-Bondverbindung und die elektrische Leiterbahn 13 aus Polysilizium.
Um nunmehr die elektrischen Durchkontaktierungen 14 auch im Bereich des Bondrahmens platzieren zu können, werden im Folgenden weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 10 beschrieben, die dies ermöglichen und bei denen der elektrische Anschluss der Sensorstrukturen von der Rückseite des Sensorwafers 20 erfolgt. Bei diesen Varianten ist eine direkte elektrische Verbindung zwischen der elektrischen Durchkontaktierung 14 und der Leiterbahn 13 aus Polysilizium möglich, wodurch TSV-Strukturen auch im Bondrahmenbereich möglich werden. Um bei diesen Varianten den Leitungswiderstand möglichst gering halten zu können, weist der Sensorwafer 20 idealerweise eine möglichst hohe Substratdotierung auf, während der Kappenwafer 10 aus Standardmaterial bestehen kann.
9 zeigt eine siebente Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 100. Erkennbar sind der Kappenwafer 10 und der Sensorwafer 20 vor einem Bondprozess. Zu diesem Zweck sind am Sensorwafer 20 erste Bondelemente 11a und am Kappenwafer 10 zweite Bondelemente 11b angeordnet, die beim Bondvorgang eutektisch miteinander verschmelzen. Auf dem Sensorwafer 20 werden beim Strukturierungsprozess der beweglichen Sensorstrukturen 2, 4 in der EPI-Siliziumschicht auch Be-und Entlüftungslöcher vorgesehen. Bei einem Opferoxidätzvorgang wird in den genannten Be- und Entlüftungslöcher nunmehr auch das Oxid entfernt, wodurch ein Zugang zum Bulk-Silizium des Sensorwafers 20 ermöglicht wird. Dies ist in 9 mit einer graphischen Hervorhebung C dargestellt.
10 zeigt das mikromechanische Bauelement 100 von 9 nach erfolgter eutektischer Aluminium-Germanium-Bondung.
11 zeigt die siebente Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 100 nach einem Ausbilden des Be- bzw. Entlüftungskanals. Auf der Sensorrückseite wurde zu diesem Zweck wieder eine Maskenschicht (beispielsweise aus Siliziumoxid) abgeschieden und Gitterstrukturen 6 zum Ausbilden des Isolationstrenchs der elektrischen Durchkontaktierungen 14 erzeugt. Erkennbar ist, dass bei geeigneter Designauslegung die Be- bzw. Entlüftungslöcher der EPI-Siliziumschicht derart positioniert werden, dass sie im Bereich des Isolationstrenchs der elektrischen Durchkontaktierungen 14 angeordnet sind. Es kann auf diese Weise vorteilhaft ein separater dritter Raum 5 entfallen, wodurch das mikromechanische Bauelement 100 noch kompakter ausgebildet sein kann.
Aus 11 ist also erkennbar, dass der dritte Raum 5 im Isolationstrenchbereich der elektrischen Durchkontaktierung 14 integriert ist. Während der Ätzprozess des genannten Isolationstrenchbereichs in einem Fußpunkt an der Oxidschicht stoppt, wird zugleich der Verbindungsbereich 16 in den zweiten Raum 3 geöffnet. Der Be- bzw. Entlüftungsweg des zweiten Raums 3 ist mittels Pfeilen angedeutet. Es ist erkennbar, dass bis zu einem gewissen Grad auch noch in den Kappenwafer 10 hinein geätzt wurde.
Wie man aus 12 erkennt, wird die Gitterstruktur 6 auch bei dieser Variante wieder mit einer Verschlussschicht 7 aus Siliziumoxid verschlossen und es werden externe elektrische Anschlüsse 15 der Durchkontaktierung 14 zum Beispiel mittels Aluminium-Leiterbahnen realisiert.
Zur Ausbildung des Verbindungsbereichs 16 in den zweiten Raum 3 gibt es mehrere Möglichkeiten.
13 zeigt zum Beispiel, dass dies mittels eines Metallgitters 18 (z.B. aus Aluminium), welches auf einer Vorderseite des Sensorwafers 20 angeordnet ist, möglich ist. Der mittels der Gitterstruktur 6 gebildete Isolationstrench legt dieses Metallgitter 18 partiell frei und eröffnet auf diese Weise einen Zugang in den zweiten Raum 3. Das Metallgitter 18 kann vorteilhaft wiederum eine Filterfunktion für den zweiten Raum 3 übernehmen, um schädliche Partikel auszufiltern. Über eine Maschengröße des Metallgitters 18 oder über einen Abstand zwischen einer Metallschicht des Metallgitters 18 und dem Kappenwafer 10 kann eine maximale Größe von Partikeln, die in den zweiten Raum 3 gelangen können, definiert werden.
14 zeigt prinzipiell mittels gestrichelter Pfeile den Be- bzw. Entlüftungszugang in den zweiten Raum 3.
15 und 16 zeigen eine neunte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 100. Dabei ist die Begrenzung einer Kanalhöhe zwischen dem Kappenwafer 10 und dem Sensorwafer 20 mittels eines Begrenzungselements 19 vorgesehen. Das Begrenzungselement 19 kann beispielsweise aus Germanium (16) oder aus SiO₂ gebildet sein (15). Da der Isolationstrenchprozess nicht selektiv zu Germanium ätzt, wird dieses lokal im Bereich des dritten Raums 5 entfernt. Ein verbleibender Ge-Ring übernimmt auf diese Weise eine Definition einer Kanalhöhe zum zweiten Raum 3. Für den Fall, dass man Germanium durch eine Siliziumoxidschicht, welche dünner ausgebildet ist als ein Oxidmaterial 12 ersetzt, kann ein Ätzstopp auf dieser Siliziumoxidschicht realisiert werden.
Die 17 und 18 zeigen eine zehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 100. In dieser Variante ist, ähnlich wie in 7, ein getrenchtes, laterales Gitter als Verbindungsbereich in den zweiten Raum 3 ausgebildet. Die 17a und 18a zeigen das genannte Gitter in unterschiedlichen Herstellungsstadien in Draufsicht. Sieht man im Bereich des Gitters ein Oxidmaterial 12 vor, so kann ein oberflächlicher Verschluss des Gitters und ein Ätzstopp für den Isolationstrench im Bereich des dritten Raums 5 erreicht werden. Eine Belüftung/Entlüftung des zweiten Raums 3 kann nunmehr durch das im Wesentlichen laterale Gitter hindurch erfolgen.
Die 19 und 20 zeigen eine elfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 100, bei der eine Kanalstruktur unterhalb der EPI-Siliziumschicht durch Herauslösen von Opferoxid erzeugt wird. Der Isolationstrench der elektrischen Durchkontaktierung 14 bzw. der dritte Raum 5 legt diesen Kanal frei und stoppt auf einem Abstandshalter aus Oxidmaterial 12 (Oxidspacerstruktur) des Kappenwafers 10. 20a zeigt in einer prinzipiellen Draufsicht einen prinzipiellen Aufbau der genannten Kanalstruktur.
In den 21 und 22 ist eine zwölfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 100 dargestellt. In dieser Variante stoppt die Be-/Entlüftungsstruktur bzw. der den dritten Raum 5 erzeugende Trenchvorgang auf einer eutektisch erzeugten Bondverbindung 11, z.B. aus Aluminium-Germanium.
In den 23 und 24 ist eine dreizehnte Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 100 dargestellt. In dieser Variante wird vor dem Abscheiden des EPI-Siliziums das Oxidmaterial 12 z.B. gitterartig strukturiert. Auf diese Weise ist es möglich, bei der Durchführung des Isolationstrenchs, auch gleichzeitig das EPI-Silizium gitterartig strukturieren zu können. Somit kann auf diese Weise eine vertikal ausgebildete Gitterstruktur erzeugt werden, die vorteilhaft eine Belüftungsmöglichkeit zum zweiten Raum 3 bereitstellt und einen Eindringschutz für Partikel darstellt.
25 zeigt eine weitere prinzipielle Darstellung einer vierzehnten Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 100. In dieser Variante wird der dritte Raum 5 mit einem Füllmaterial 21 aufgefüllt. Durch die vorangegangene Ausbildung der Gitterstruktur im EPI-Silizium wird das Füllmaterial 21 gehindert, in den zweiten Raum 3 zu gelangen.
Das Verfüllen des dritten Raums 5 mit dem Füllmaterial 21 ist prinzipiell für alle vorangehend beschriebenen Varianten des mikromechanischen Bauelements denkbar, bei denen eine Kanalverengung vorgesehen ist, um Partikel aus dem zweiten Raum 3 fernzuhalten. Beim Verfüllen des dritten Raums 5 mit einem leitfähigen Material, z.B. AuSn, ist darauf zu achten, dass zuvor eine durchgängige Isolationsschicht in den dritten Raum 5 abgeschieden wurde, da sonst ein elektrischer Kurzschluss zwischen der Durchkontaktierung 14 und dem Bulk-Silizium des Sensorwafers 20 erfolgen würde. Als Füllmaterial 21 kommen weiterhin auch z.B. SiO₂ oder Benzocyclobuten (BCB) in Betracht.
Bei allen beschriebenen Varianten ist es auch denkbar, durch den dritten Raum 5 hindurch gezielt einen Stoff in den zweiten Raum 3 einzubringen, der ein Aneinanderkleben von beweglichen Fingerstrukturen (engl. antistiction coating) vermeidet.
Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitgestellt, welches vorteilhaft eine simultane Herstellung von Inertialsensoren auf einem einzigen Wafer erlaubt, wobei der Innendruck von Kavernen, in denen sich zum Beispiel Beschleunigungssensoren befinden, beliebig variiert werden kann.
Selbstverständlich ist es aber auch möglich, dass die beschriebenen Verfahren nicht nur bei der durch Herstellung von Beschleunigungs- und Drehratensensoren auf einem Wafer angewendet werden können. Vielmehr können auf diesem Wege beliebige Sensoren, wie zum Beispiel Infrarotsensoren, Drucksensoren, Magnetfeldsensoren usw. hergestellt werden. Es ist vorteilhaft auch denkbar, die hier beschriebenen Varianten beliebig miteinander zu kombinieren, so dass die Erfindung auch Ausführungsformen umfasst, die vorangehend nicht oder nur teilweise beschrieben sind.
Die beschriebenen Verfahren sind nicht beschränkt auf einen spezifisch eutektischen Verbindungsprozess von Kappenwafer und Sensorwafer. Vielmehr können sie bei allen bekannten Bondverfahren eingesetzt werden.
Der Fachmann wird also die beschriebenen Merkmale geeignet abändern oder miteinander kombinieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009045385 A1 [0004]

Claims

Mikromechanisches Bauelement (100) mit einem ersten Raum (1), in dem ein erster Sensor (2) angeordnet ist, mit einem zweiten Raum (3), in dem ein zweiter Sensor (4) angeordnet ist, wobei im ersten und im zweiten Raum unterschiedliche Drücke herrschen, dadurch gekennzeichnet, dass sich einer der beiden Räume (1, 3) über einen dritten Raum (5) zu einer Gitterstruktur (6) erstreckt, die in einem Randbereich des Bauelements angeordnet und im Wesentlichen hermetisch dicht verschlossen ist.
Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur (6) und das Bauelement (100) an einer Oberseite wenigstens teilweise mit einer Verschlussschicht (7) verschlossen ist.
Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlussschicht (7) mittels unterschiedlicher Abscheideprozesse abgeschieden werden kann.
Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsbereich (16) zwischen einem der beiden Räume (1, 3) und dem dritten Raum (5) verengt ist.
Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verengung mittels Bondmaterialien eines Sensorwafers (10) und eines Kappenwafers (20) des Bauelements (100) ausgebildet ist.
Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (16) als eine im Wesentlichen laterale Gitterstruktur und/oder als eine Kanalstruktur ausgebildet ist.
Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Oberseite der Verschlussschicht (7) wenigstens teilweise eine Passivierungsschicht (8) angeordnet ist.
Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch leitende Verbindung (14) zu wenigstens einem der Sensoren (2, 4) ausgebildet ist, wobei die elektrisch leitende Verbindung (14) wenigstens teilweise von einem Isolationsgraben begrenzt ist, der mittels der Gitterstruktur (6) herstellbar ist, wobei der Isolationsgraben im Wesentlichen den dritten Raum (5) ausbildet.
Mikromechanisches Bauelement (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass über der elektrisch isolierend ausgeführten Gitterstruktur (6) Metall angeordnet ist.
Mikromechanisches Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Raum (5) im Wesentlichen im Kappenwafer (10) oder im Wesentlichen im Sensorwafer (20) des mikromechanischen Bauelements (100) ausgebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements (100) aufweisend die Schritte: – Bereitstellen von zwei Räumen (2, 3) in einem Waferschichtaufbau (10, 20), – Ausbilden eines dritten Raums (5) mit einem Verbindungsbereich (16) zu einem der beiden Räume (1, 3), wobei der dritte Raum (5) an eine Gitterstruktur (6) in einem Randbereich des Bauelements (100) geführt ist; und – Verschließen der Gitterstruktur (6) mit einer Verschlussschicht (7), wobei abhängig von einem Abscheideprozess der Verschlussschicht (7) der Druck in einem der Räume (1, 3) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Verbindungsbereich (16) zwischen dem dritten Raum (5) und einem der beiden Räume (1, 3) verengt ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Verbindungsbereich (16) als eine im Wesentlichen laterale Gitterstruktur oder als eine Kanalstruktur ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei ein Ausbilden und ein Verschließen des dritten Raums (5) als ein Ausbilden und ein Verschließen eines Isolationsgrabens einer elektrischen Durchkontaktierung (14) ausgebildet sind.
Verwendung eines mikromechanischen Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei im ersten Raum (1) ein Drehratensensor und im zweiten Raum (3) ein Beschleunigungssensor angeordnet ist.